© Achraf Laradh, 2020
Mise en place, énergie et rebond dans le béton projeté
Mémoire
Achraf Laradh
Maîtrise en génie civil - avec mémoire
Maître ès sciences (M. Sc.)
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Résumé
L’impact écologique de la construction des infrastructures est l’une des préoccupations qui occupent le plus les recherches dans le domaine. Des recherches récentes ont montré l’importance des pertes engendrées par le rebond en béton projeté et ont remis cette thématique à l’avant de la scène. C’est dans cette dynamique que le Laboratoire de béton projeté du CRIB de l’Université Laval s’est inscrit en menant de plus en plus de projets afin de mieux comprendre et diminuer ces pertes. Le présent projet s’intéresse particulièrement à la compréhension du phénomène du rebond à l’échelle du jet afin de faciliter et promouvoir les développements sur l’effet de l’équipement et des matériaux choisis sur le rebond. Ce projet est composé de deux parties distinctes, l’une se concentrant sur la mise en place d’un modèle du rebond à l’échelle du jet et l’autre développant un programme d’automatisation de l’acquisition de la distribution des vitesses dans le jet.
D’abord, afin de faciliter l’obtention des données expérimentales nécessaires à l’étude à l’échelle du jet, un programme informatique a été développé. Ce programme est basé sur une méthode de calcul du flux optique développé par Blanck & Anadam (1996). À partir de deux images successives, la vitesse des particules est déterminée. En améliorant la qualité des images recueillies et en traitant un grand nombre d’image, une estimation de la distribution des vitesses peut être faite. Les résultats les plus encourageants ont été obtenus lors de projections où la qualité des images capturées a été optimisée.
Par ailleurs, un modèle du rebond à l’échelle du jet a été développé en se basant sur des travaux antérieurs en béton projeté. Armelin (1998) a développé un modèle du rebond pour une seule particule basé sur un modèle élastoplastique du substrat et à partir de l’énergie cinétique de la particule incidente. Ensuite, Ginouse (2014) a développé des essais permettant de caractériser cette énergie à l’échelle du jet. En combinant les résultats de ces deux études, nous sommes parvenus initialement à créer un nouveau modèle du rebond à l’échelle du jet dont les résultats sont corrélés avec les résultats expérimentaux, mais dans lequel les valeurs de rebond sont fortement surestimées. Cependant, en introduisant un nouveau concept lié aux variations des propriétés rhéologiques du substrat suite à la vibration amenée par les particules incidentes qui le frappent, une meilleure prédiction du rebond a été atteinte.
En conclusion, ce projet a rempli sa mission d’explorer et d’ouvrir la voie à l’automatisation de la mesure de la distribution de vitesses dans le jet, ainsi que de poser les bases et développer un modèle du rebond à l’échelle du jet en tenant compte des variations de propriétés rhéologiques dans les différentes zones du substrat.
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Abstract
The environmental impact of civil engineering construction is one of the main concerns found in most research efforts in the field. Recent research has shown the importance of the amount of waste generated by rebound in the shotcrete process and has emphasized this aspect in this field. The project was undertook at Laval University’s Shotcrete Laboratory and is part of an effort to better understand rebound mechanisms that generate this waste. It investigates the rebound at the spray-scale to help understand how equipment and material choises affect this phenomenon. This project is divided in two distinct portions: a rebound model at the spray scale and the implementation of a program to automate the calculation of the particle velocity distributions in the spray.
First, in order to help generate the experimental data required to study rebound at the spray-scale, a computer program has been developed. This program is based on an optical flow method developed by Black & Anadam (1996). From two successive images, particle velocities are calculated. Working with a large number of images and enhancing their quality allowed to approximate the velocity distribution in the spray. The most promising results were obtained during analysis when the image quality was best optimized.
A rebound model at the spray-scale was then developed by combining the results of previous research projects in shotcrete. Armelin (1998) was the first to develope a particle-scale rebound model based on an elastoplastic representation of the substrate and on the incident kinetic energy of the particle. Ginouze in 2014 then developed different testing methods that allowed a complete characterization of the shotcrete spray. By combining the results of these studies, a new spray-scale rebound model was created and the results were correlated the experimental results. Rebound values however were strongly overestimated. By introducing an innovative new concept representing the variations of rheological properties of the substrate due to the vibration caused by the incident particles, a better estimation of rebound was achieved.
In conclusion, the project fulfilled its exploring mission and opened the way to automated velocity distribution measurement in the spray. Moreover, solid bases of a rebound spray-scale model were established by taking into account the rheological properties variations in the different substrate areas.
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Table des matières
Résumé ... ii
Abstract ... iii
Listes des tableaux ... vi
Liste des figures ... vii
Remerciements ... x
Introduction ... 1
1. Introduction générale et mise en contexte ... 1
2. Problématique... 1
3. Objectifs... 2
4. Structure du document ... 3
1. Revue de documentation scientifique ... 4
1.1. Introduction ... 4
1.2. Méthode de projection ... 4
1.3. Les mécanismes de rebond ... 6
1.4. Avancées récentes sur l’analyse à l’échelle du jet ...12
1.5. Analyse vidéo automatisée ...14
1.6. Conclusion ...17 2. Programme expérimental ...18 2.1. Introduction ...18 2.2. Méthodes ...18 2.3. Matériaux utilisés ...25 2.4. Équipement de projection ...26
2.5. Essais sur béton frais ...28
2.6. Essais à l’état durci ...30
2.7. Plan expérimental ...30
3. Automatisation de l’analyse des vitesses ...32
3.1. Introduction ...32
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3.3. Utilisation de la procédure d’analyse ...38
3.4. Résultats obtenus aux différentes projections. ...41
3.5. Recommandations ...45
4. Présentation des résultats pour l’analyse des rebonds ...46
4.1. Introduction ...46
4.2. Calcul des erreurs expérimentales ...46
4.3. Profils de vitesse ...50
4.4. Distribution de masse ...54
4.5. Rebond du béton ...57
4.6. Essais de caractérisation du béton ...57
4.7. Conclusion ...58
5. Analyse des résultats ...59
5.1. Introduction ...59
5.2. Traitement des distributions des vitesses ...59
5.3. Traitement de la distribution des débits massiques ...66
5.4. Distribution d’énergie « brute » dans le jet ...68
5.5. Confrontation des résultats expérimentaux et issus du modèle ...77
Conclusion ...79
1. Synthèse ...79
2. Perspectives de recherche pour projets futurs ...80
Bibliographie ...81
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Listes des tableaux
Tableau 2-1: Composition du mélange ...26
Tableau 2-2: Variables du programmes expérimental ...31
Tableau 3-1: Ensemble des résultats obtenus lors des projections...44
Tableau 4-1: Résultats de rebond obtenu lors des essais ...57
Tableau 4-2: Propriété du béton mis en place lors des différentes projections ...57
Tableau 5-1:Représentation d’un débit de masse simplifié ...62
Tableau 5-2: Distribution de masse rapportée en pourcentage par rapport au débit total par ligne ...63
Tableau 5-3: Propriétés du substrat utilisées dans la présente étude ...70
Tableau 5-4: Condition d’arrivé de la particule fictive sur le substrat de béton (étape 2 de la Figure 5-9) ...72
Tableau 5-5: État de l’interface substrat-particule à la fin de la phase de pénétration (étapes 3 et 4 de la Figure 5-9) ...73
Tableau 5-6: Énergie de rebond et l’énergie de réaction (étapes 5 de la Figure 5-9) ...73
Tableau 5-7: Valeur des constantes du modèle probabiliste ...75
Tableau 5-8: Résultats du rebond obtenus sur la projection du 13/06 ...76
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Liste des figures
Figure 1-1: Procédé de projection par voie humide ... 5
Figure 1-2: Procédé de projection par voie sèche ... 6
Figure 1-3: Rebond instantané en fonction du temps ( de Burns 2008) ... 7
Figure 1-4: Schéma représentant l'arrivée de la particule sur le substrat de béton (de Armelin 1999) ... 8
Figure 1-5: Résultat de l'essai du "pull out" (tiré de Armelin 1999) ...11
Figure 1-6: Profils de distribution des vitesses en fonction de l'équipement utilisé et de la distance par rapport à la sortie de la lance (tiré de Ginouse) ...13
Figure 1-7: Distribution de flux massiques obtenue à deux distances différentes du jet (tiré de Ginouse) ...13
Figure 1-8: Différents embouts et lances utilisés en projection par voie humide ...14
Figure 1-9: Position des particules à 1 mètre de la sortie de la lance avec le logiciel ProAnalyst® (Siccardi 2018) ...15
Figure 1-10: Représentation du flux optique (Patel et Upadhyay 2013) ...16
Figure 2-1: Schéma du dispositif expérimental d’obtention de la distribution de masse (Ginouse 2014) ...19
Figure 2-2: Dispositif expérimental pour la détermination de la distribution de débit massique ...20
Figure 2-3: Schéma représentant la différence entre des images obtenues à deux fréquences d’acquisition différentes ...21
Figure 2-4: Schéma représentant la différence entre des images obtenues à deux temps d’exposition différents ...22
Figure 2-5: Image représentant le contraste obtenu avec une caméra usuelle entre l’écran et le support de lance ...23
Figure 2-6: Vue du l’installation expérimentale pour la détermination de distribution de vitesses ...24
Figure 2-7: Comparatif entre les images améliorées et les images précédemment utilisées 24 Figure 2-8: Image obtenue avec l’écran lumineux et l’utilisation du zoom optique ...25
Figure 2-9: Canon de béton projeté par voie sèche Alivia en version de base électrique ...26
Figure 2-10: Anneau de mouillage utilisé ...27
Figure 2-11: Lance hydromix ...27
Figure 2-12: Embout utilisé lors des projections: «spirolet» à droite et «double bubble» à gauche ...28
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Figure 3-1: Plage d'échelle de gris d'une image avant le traitement (a) puis après le traitement
(b) (Matlab) ...34
Figure 3-2: Exemple de résultats du traitement mis en oeuvre pour accroître les contrastes dans les images traitées ...34
Figure 3-3: Présentation de l'outil de mesure de distance ...35
Figure 3-4: Présentation de l’outil de la sélection de la zone de travail ...36
Figure 3-5: Organigramme résumant le fonctionnement du programme ...37
Figure 3-6: Exemple de résultats de traitement sur l'ensemble du jet ...38
Figure 3-7: Exemple de résultats de traitement sur la zone d'étude ...39
Figure 3-8: Résultat issu d’images traité sans l’utilisation de l’outil d’augmentation de contraste (même images que pour la figure 4.6) a) carte de distribution densité de particule; b) carte de distribution des vecteurs de vitesse ...40
Figure 3-9: Carte de densité de particule et de gradient des vitesses obtenues sur des images de bonne qualité ...42
Figure 3-10: Comparaison entre les vitesses obtenues manuellement et à l’aide du programme sur une projection ...43
Figure 4-1: Représentation de l’erreur issue de différente projection du aux différences angulaires de positionnement de la lance ...47
Figure 4-2: Impact de l'angle du jet sur les déplacements perçus par la camera ...48
Figure 4-3: Procédé d'acquisition des vitesses ...50
Figure 4-4: Vitesses axiales expérimentales u(y) obtenus à 1 m de la lance «spirolet» pour un béton à consistance humide ...51
Figure 4-5: Vitesses axiales expérimentales u(y) obtenus à 1 m de la lance «spirolet» pour pour un béton à un consistance sèche ...52
Figure 4-6: Vitesses axiales expérimentales u(y) obtenus à 1 m de l’embout «double bubble» pour un béton à consistance humide ...52
Figure 4-7: Vitesses axiales expérimentales u(y) obtenus à 1 m de l’embout « double bubble» pour un béton à consistance sèche ...53
Figure 4-8: Distribution de masse 3D en g/s obtenus avec le «spirolet» pour un béton à consistance humide...54
Figure 4-9: Distribution de masse 3D en g/s obtenus avec le « spirolet» pour un béton à consistance sèche ...55
Figure 4-10: Distribution de masse 3D en g/s obtenus avec le doubble bubble pour un béton à consistance humide ...56
Figure 4-11: Distribution de masse 3D en g/s obtenus avec le doubble bubble pour un béton à consistance sèche ...56
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Figure 5-1: Comparaison des distributions de vitesse moyennée à consistance sèche et humide associée à l'embout spirolet ...60 Figure 5-2: Étape 1 du traitement des distributions des vitesses ...63 Figure 5-3: Tubes du dispositif expérimental pour la détermination de la distribution de masse et correspondance des intervalles utilisés pour le traitement des vitesses ...64 Figure 5-4: Vitesses finales obtenus à une distance de 1 mètre de la sortie de l’embout «spirolet» avec une consistance humide (à gauche) et une consistance sèche (à droite) ...65 Figure 5-5: Distribution des vitesses après traitement obtenus à une distance de 1 mètre de la
sortie de l’embout doubble bubble pour des bétonà humide (à gauche) et consistance sèche (à droite) ...65 Figure 5-6: Distributions de débits massiques après traitement obtenues avec l’embout «spirolet» pour des bétons à consistance humide à droite et sèche à gauche ...67 Figure 5-7: Distributions des débits massiques après traitement obtenues avec l'embout «double-bubble» consistance humide à gauche et sèche à droite ...67 Figure 5-8: Distribution d’énergie de chacune des projections ...69 Figure 5-9: Diagramme simplifié du modèle développé ...71 Figure 5-10: Loi liant le rapport W2/WD et le pourcentage de rebond développé à partir des
résultats d’Armelin ...75 Figure A-1: Calcul de l'énergie de rebond (Armelin 1999) ...84 Figure A-2: Résultats de densité de particule et de gradient des vitesses obtenues sur des images sans système d’éclairage et sans l’outil d’augmentation de contraste ....86 Figure A-3: Résultat des vitesses obtenues sur des images sans système d’éclairage et sans l’outil d’augmentation de contraste ...86 Figure A-4: Résultats de densité de particule et de gradient des vitesses obtenues sur des images sans système d’éclairage et avec l’outil d’augmentation de contraste ....87 Figure A-5: Résultat des vitesses obtenues sur des images sans système d’éclairage et avec l’outil d’augmentation de contraste ...87
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Remerciements
La réalisation de ce mémoire a été possible grâce au concours de plusieurs personnes à qui je témoigne toute ma gratitude.
Je voudrais dans un premier temps remercier mon directeur de recherche Marc Jolin, ing., professeur titulaire à l’université Laval, pour sa disponibilité et surtout ses judicieux conseils qui ont contribué à alimenter ma réflexion.
J'adresse mes sincères remerciements à tous les professeurs et intervenants du département de génie civil de l'Université Laval et toutes les personnes qui, par leurs paroles, leurs écrits, leurs conseils et leurs critiques ont guidé mes réflexions et ont accepté de me rencontrer et de répondre à mes questions durant mes recherches. Je tiens à remercier l'équipe de recherche avec qui j’ai pu travailler, et spécialement Antoine Gagnon, étudiant au doctorat, dont j’ai pu énormément apprendre en organisation et pédagogie; ainsi que Pierre Siccardi, étudiant au doctorat , pour son exemplarité et sa détermination dans le travail et Robin Jean , étudiant à la maîtrise, dont le calme et la gentillesse ont été d’une grande aide.
Je voudrais exprimer ma reconnaissance envers Mathieu Thomassin et Lyne Dupuis , respectivement ingénieur de recherche et adjointe administrative du CRIB pour m'avoir épaulé ainsi que tous les autres étudiants de la chaire de recherche dans nos projets.
Je remercie ma famille, ma mère, mon père mes frères et sœur qui ont toujours été présents pour moi et qui m'ont toujours encouragé. Leur soutien a été plus que déterminant pour mon épanouissement durant toute mes études.
Je remercie Aliesmy, pour son soutien et son amour inconditionnel durant tout ce projet. Enfin, je tiens à témoigner toute ma gratitude à Vincent Boishardy, mon colocataire, ainsi qu'à l'ensemble de mes amis au Canada et en France pour leur soutien inestimable et leurs précieux conseils tout au long de l'écriture de ce mémoire.
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Introduction
1. Introduction générale et mise en contexte
Un grand nombre d’infrastructures du Nord-Est du continent Nord-Américain arrivent ont déjà plus 50 et les traces du temps paraissent. Des dégradations dues aux conditions environnementales et à leur utilisation intensive sont de plus en plus présentes. Pour maintenir ces structures en service, deux solutions s’offrent aux ingénieurs, la démolition/reconstruction ou la réparation. La réparation est souvent privilégiée du fait de son coût moindre, de son aspect plus écologique et de son impact limité sur le transport comparativement à un remplacement complet de l’ouvrage. De nombreuses recherches sont menées dans cette optique de réparation des structures. Ces réparations peuvent être réalisées de nombreuses manières et le béton projeté est une des solutions de mise en place du béton qui est fort populaire.
Le béton projeté est une méthode de mise en place du béton ne nécessitant pas de coffrage, mobile et flexible dans son utilisation, la rendant très intéressante pour les réparations. Cette méthode de mise en place est aussi grandement utilisée dans les mines et les tunnels, afin de supporter le terrain et les parois.
La mise en place du béton projeté consiste à envoyer sur la surface réceptrice le béton à haute vitesse afin d’en assurer la consolidation et l’adhérence. Malgré plus d’une centaine d’années d’expérience, ce procédé de mise en place est souvent critiqué à cause des pertes que génère la projection pneumatique. En effet une partie du béton rebondit sur le substrat et se retrouve au sol. Ces pertes, appelées rebond, représentent une part non négligeable du béton projeté et ont des impacts environnementaux et monétaires parfois significatifs.
Des travaux récents ont permis d’améliorer la compréhension du mécanisme de mise en place (Ginouse et al., 2014). Cette meilleure compréhension du processus de projection a contribué à la relance d’une nouvelle dynamique de recherche dans ce domaine et c’est dans ce cadre que ce mémoire s’inscrit.
2. Problématique
Les impacts environnementaux des matériaux utilisés en construction sont forts. La fabrication du ciment est la principale cause des émissions de gaz à effet de serre du secteur de la construction. L’amélioration de l’efficience du béton projeté influence directement les pertes par rebond et donc l’impact environnemental de cette méthode de mise en place. La diminution du rebond réduit les pertes de matériaux, mais également les besoins énergétiques et la pollution des sols et des eaux.
2
Cette volonté de vouloir améliorer la méthode de mise en place du béton projeté est une dynamique lancée depuis plusieurs années déjà et de nombreux résultats ont été publiés. Cependant, à ce jour, aucun projet n’a permis de mettre en relation certains des résultats obtenus au cours des dernières années. Une thèse a d’abord permis de mettre en relation le rebond d’une particule, les propriétés du substrat et les propriétés d’incidence de cette particule sur le substrat (Armelin, 1998). Des recherches plus récentes ont été menées à l’échelle du jet (Ginouse 2014 et Bérubé 2017). Ces dernières recherches ont permis de souligner l’importance d’étudier l’ensemble du jet dans l’analyse de la mise en place du béton projeté. Ces recherches ont également généré les essais expérimentaux nécessaires à ce projet.
Le lien entre la projection des particules et la mise en place n’a été traité qu’à l’échelle de la particule et non à l’échelle du jet. La problématique principale est de parvenir à réaliser le transfert des connaissances à l’échelle de la particule vers l’échelle du jet, de manière à aborder le rebond dans son ensemble.
3. Objectifs
Ce projet a pour but principal de mettre en commun et développer les connaissances acquises récemment : un modèle énergétique du rebond d’une particule développé par Armelin (1998), et la caractérisation des propriétés d’incidence des particules à l’échelle du jet, développé par Ginouze (2014). L’objectif principal est donc de mettre en place un modèle permettant de prédire le rebond des particules à l’échelle du jet. De cet objectif principal, quatre sous-objectifs ressortent. Les deux premiers se focalisant sur l’obtention de la distribution des vitesses de particules dans le jet et les deux autres sur le modèle lui-même.
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1. Améliorer la qualité des images recueillies lors de la projection de manière à faciliter et améliorer la mesure de la distribution des vitesses. La procédure permettant de déterminer cette distribution est fortement influencée par la qualité des images qui pourront être obtenues.
2. Automatiser le traitement des images du jet captées lors de la projection. L’étape de détermination de la distribution des vitesses est, en effet, la plus longue et la plus complexe en post traitement.
3. Développer un modèle du jet de béton permettant de quantifier le rebond de béton en recueillant les distributions de masse et de vitesse des particules se déplaçant dans le jet. Une méthode de traitement des vitesses permettant de caractériser fidèlement le jet de béton et une méthode expérimentale permettant d’obtenir toutes les informations nécessaires au modèle simultanément seront développées.
4. Classer l’équipement utilisé lors de projection selon la qualité de la mise en place, le rebond étant le critère retenu pour évaluer la mise en place du matériau.
4. Structure du document
Ce document est composé de cinq chapitres. Suivant cette introduction où le contexte, la problématique et les différents objectifs ont été présentés, le chapitre suivant présente la revue de documentation des différents aspects abordés afin de situer et poser les bases de la réflexion. Le deuxième chapitre aborde la méthodologie et le programme expérimental réalisé. Les essais effectués, les matériaux ainsi que les équipements utilisés durant ce projet seront présentés dans cette partie. Dans le troisième chapitre, la programmation du traitement des images et des vitesses sera abordée. Le quatrième chapitre présente les résultats issus de ces différents essais afin de pouvoir les traiter dans la partie suivante. C’est dans ce cinquième chapitre que l’analyse des résultats sera faite et que le modèle sera présenté. Enfin, dans la conclusion, les résultats et observations clés du mémoire seront repris et commentés. De plus les points à approfondir et les perspectives de recherches futures seront également proposés dans cette partie.
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1. Revue de documentation scientifique
1.1. Introduction
Ce chapitre présente une revue de la documentation scientifique pertinente à ce projet. Les concepts présentés dans les sections suivantes constituent un aperçu de l’état actuel des connaissances. La première partie présente brièvement les méthodes de mise en place qui sont utilisées en béton projeté et plus particulièrement celle employée dans ce projet. Ensuite, la théorie sur le mécanisme de rebond des particules en projection pneumatique est présentée. La troisième partie illustre les plus récentes recherches menées sur ce mécanisme. Enfin, les différentes méthodes automatisées de suivi de particule, seront présentées.
1.2. Méthode de projection
Le béton projeté est un terme caractérisant la méthode de mise en place un mélange de béton à l’aide d’une lance en le pulvérisant à l’endroit voulu. Il existe deux méthodes permettant de réaliser cette mise en place. Ces deux méthodes diffèrent par l’état du matériau avant son introduction dans la machine de projection. Ces méthodes sont caractérisées par les termes « voie sèche » et « voie humide ».
Le procédé par voie humide, comme son nom l’indique, consiste à insérer le mélange de béton déjà malaxé dans une pompe à béton. Ce procédé est le plus utilisé de nos jours. Le béton dit prêt à l’emploi est alors pompé dans un tuyau; pour le transporter jusqu’à la lance. Un compresseur à air est nécessaire afin d’accélérer le béton en sortie de lance. En effet, un tuyau permet d’acheminer l’air sous pression jusqu’à la lance. Le rôle de la lance est de permettre à l’air de pulvériser et d’accélérer le béton pompé afin qu’il ait l’énergie nécessaire à sa mise en place (Figure 1-1).
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Figure 1-1: Procédé de projection par voie humide
Le second procédé est dit par voie sèche. Comparativement au procédé par voie humide, seuls les matériaux secs sont insérés dans la machine de projection. La machine de projection est alimentée par un compresseur à air afin d’acheminer jusqu’à la lance les matériaux secs par énergie pneumatique (Figure 1-2). Les matériaux secs sont combinés à l’eau à la lance par l’anneau de mouillage. La teneur en eau est ajustée par le lancier à l’aide d’une valve à la lance. Les matériaux secs sont combinés à l’eau durant le transport entre l’anneau de mouillage et la sortie de la lance. Il existe deux types de lances en projection par voie sèche: la lance longue où ce malaxage se déroule sur une longueur d’à peu près 1.5 m (anneau de mouillage reculé par rapport à la sortie de la lance) et la lance courte où le malaxage est seulement réalisé par l’embout de la lance. Lors de l’utilisation de la lance courte, un préhumidificateur est essentiel afin de diminuer la poussière pendant la projection. (506R-15)
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Figure 1-2: Procédé de projection par voie sèche
Ces deux procédés ont leurs forces et leurs faiblesses. Le procédé par voie humide est préféré pour les applications utilisant de grandes quantités de béton sans interruption. Le débit de matériaux mis en place est plus important avec cette méthode que par la voie sèche. Le mélange de matériaux étant réalisé en amont, la constance et l’homogénéité du mélange améliorent la qualité de la projection. Le fait d’utiliser des matériaux humides a pour contrepartie de limiter les arrêts/reprises possibles durant la projection car, le béton pourrait se bloquer dans la conduite. De plus, la pompabilité est très importante avec cette méthode de mise en place, la rhéologie du matériau doit être rigoureusement contrôlée.
La méthode de projection par voie sèche est quant à elle plus flexible. La consistance peut être ajustée directement par le lancier durant la projection. Il peut adapter la consistance à la zone de projection ou encore aux propriétés de matériaux visées. Les matériaux étant transportés à l’état sec dans une conduite, la projection peut être arrêtée puis reprise sans problème et les tuyaux sont beaucoup plus légers. La logistique de livraison et d’entreposage des matériaux au chantier est aussi beaucoup plus simple. Ce procédé de projection peut avoir un désavantage, l’homogénéité du malaxage avec l’eau dépend de la lance et des compétences du lancier. Le débit est aussi plus faible, car le transport pneumatique est moins efficace que le pompage.
Ces deux méthodes de mise en place des matériaux ne permettent pas de mettre en place l’intégralité des matériaux insérée dans la machine. Une partie des matériaux est perdue lors de la projection sous deux formes: la poussière et le rebond. Les particules fines du béton sont en partie dispersées dans l’air lors de la projection formant un nuage de poussière lié à l’atomisation ou la pulvérisation du mélange projeté. Le rebond est quant à lui la portion du mélange projeté qui n’adhère pas à la zone de projection. Le rebond varie typiquement entre 10% et 25% selon la consistance et le matériau utilisé. Les pertes les plus importantes sont dues au rebond. Les pertes liées à la poussière sont jugées négligeables et ne sont jamais calculées dans l’exploitation des données. Le rebond sera défini et expliqué plus en détail dans la partie suivante.
1.3. Les mécanismes de rebond
Le rebond regroupe une partie des pertes de matériaux lors des projections (seulement les matériaux passant par la lance). Il est défini par le rapport de la masse cumulative des matériaux qui rebondissent et des masses de matériaux projetés. La cause du rebond est la non-adhérence de certaines particules aux substrats déjà en place ou sur le support de projection. Différents phénomènes influent sur le rebond, mais les deux principaux paramètres sont la rhéologie du mélange et les conditions de projection du béton.
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L’étude de Parker et al (1997) a montré que le rebond instantané dépend de l’épaisseur de béton déjà en place. Afin de démontrer cela, le rebond instantané a été mesuré au cours d’une projection sur un panneau initialement vide (Figure 1-3). En début de projection, les particules entrent en contact avec le fond du panneau rigide et rebondissent, car il n’y a rien pour absorber leur énergie cinétique. Le rebond instantané est donc très élevé en début de projection. Néanmoins ces premières particules déposent de la pâte de ciment lorsqu’elles frappent la surface de projection, crée rapidement un substrat de pâte où les particules pourront s’accrocher ensuite. À partir d’une certaine épaisseur de substrat déposé, le rebond instantané se stabilise.
Figure 1-3: Rebond instantané en fonction du temps ( de Burns 2008)
Burns (2008) a montré que la contribution de cette phase initiale transitoire du rebond est négligeable sur la durée de l’essai du rebond (essais réalisés dans le laboratoire du CRIB sur 50 kg de béton projeté). Malgré leur taux élevé, les pertes survenant dans les premières secondes de l’essai sont somme toute faibles devant les pertes générées durant le reste de l’essai. Le phénomène physique qui conditionne la perte totale par rebond est donc le rebond des particules sur le substrat déjà en place. Le jet est composé de nombreuses particules se déplaçant à différente vitesse dans l’espace jusqu’au substrat. Le modèle physique le plus complet expliquant le rebond d’une particule sur le substrat de béton est le modèle mis en place par Armelin (1997). Ce modèle se base sur une analyse énergétique des interactions entre des corps aux propriétés différentes, un substrat modélisé de manière élastoplastique et d’une particule rigide. La particule est considérée comme sphérique et le substrat homogène.
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Ce modèle se décompose en 3 parties et s’appuie sur plusieurs hypothèses : • La particule est supposée sphérique ;
• Le substrat est homogène et élostoplastique ; • Il n’y a pas d’encapsulation des particules ;
• La particule frappe le substrat perpendiculairement.
La première phase de ce modèle est la phase de pénétration de la particule (Figure 1-4). Elle commence lorsque la particule entre en contact avec le béton et se termine lorsque sa vitesse est nulle.
Figure 1-4: Schéma représentant l'arrivée de la particule sur le substrat de béton (de Armelin 1999)
Durant cette phase, l’énergie cinétique de la particule (W1) se transforme en énergie plastique
et élastique dans le substrat. Il est supposé que la particule arrive perpendiculairement à la surface du substrat de béton. La particule étant également supposé sphérique, la symétrie du problème implique que la particule ne change pas direction durant sa pénétration dans le substrat. La surface de contact entre la particule et béton est donc une calotte sphérique de la particule. Il est également supposé l’existence d’une frontière sphérique de rayon a sur laquelle la pression p est constante. P étant la limite élastique du substrat, cette frontière (entre la zone jaune et rouge sur la Figure 1-4) délimite la zone plastique et élastique dans le substrat. Cette hypothèse permet de ne pas étudier les déplacements à l’intérieur de cette zone (déplacement plastique complexe à étudier) et de s’intéresser aux déplacements sur la frontière; ils peuvent
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être ainsi considérés radiaux. Ces hypothèses permettent de trouver une relation entre a et p. Ce résultat permet de calcul la profondeur de pénétration de la particule () en balançant l’énergie cinétique d’arrivée de la particule avec le travail de la pression du substrat. Le travail de cette pression entre le début du contact et la fin de la phase de pénétration de la particule dans le substrat est égal à l’énergie cinétique d’arrivée de la particule. Le symbole « * » indique la valeur du paramètre en fin de phase de pénétration. Par exemple, * correspond à la profondeur de pénétration maximale atteinte en fin de phase de pénétration.
La résultante de la force de pression :
𝑓(𝛿) = ∫ 𝑝⃗ 𝑑𝑆 𝑆
∙ 𝑥⃗ = 𝑝(𝜋 ∙ 𝑎(𝛿))2 (2.1)
Le travail de la force pendant la phase de pénétration :
𝑊1 = ∫ 𝑓(𝛿) 𝑑𝛿 𝛿∗ 0 (2.2) 𝑊1 = 𝑝 ∙ ( 𝜋 ∙ 𝑎∗ 4 𝑅 ) = 𝑝𝑑∙ 𝑉𝑎 (2.3)
La comparaison de l’équation (2.3) et de l’énergie cinétique avec laquelle la particule (masse, vitesse mesurée expérimentalement) entre en contact avec le substrat permet de connaitre le volume apparent pénétrant le substrat en fonction de la pression de contact.
La connaissance du système à la fin de la phase de pénétration dans le substrat permet d’attaquer la phase de réaction. Durant la phase de pénétration, l’énergie cinétique a en partie été transformée en énergie élastique de déformation. Cette énergie est ainsi retournée à la particule dans la phase de réaction. Au même instant, le substrat s’oppose à ce transfert d’énergie par la force d’adhésion du substrat sur la particule. Ce sont ces deux paramètres qui déterminent s’il y a ou non rebond de la particule. W2 sera noté comme l’énergie restituée à la
particule de béton pendant la phase de réaction. Les détails des calculs de cette énergie sont présentés en Annexe 1.
Il est possible d’exprimer 𝑊2 sous la forme suivante : 𝑊2= 0.27 ∙ 𝜋2∙ 𝑎∗∙ 𝑝 ∙ 3 ∙ 𝜀𝑝𝑐 (2.4)
La valeur de W2 n’est plus fonction que de la pression de contact entre le substrat et la particule, de la profondeur de l’impact a* ou * et de εpc la déformation élastique maximale du béton frais. Ces paramètres sont soit des paramètres intrinsèques au substrat (p et εpc) soit
𝑉𝑎 est le volume apparent pénétrant le substrat.
𝑝𝑑 est la pression dynamique de contact entre le substrat et la particule
.
𝑆 est la surface sphérique sur laquelle une pression p radiale constante
10
mesurables, en fonction des données obtenus en fin de phase de pénétration de la particule dans le substrat (a*), ils sont donc tous déterminable.
Afin d’avoir toutes les informations nécessaires au calcul de la probabilité de rebond de la particule, une énergie reste à déterminer. L’énergie de décollement noté Wd (« debounding ») est l’énergie nécessaire pour que la particule soit extraite (rebondisse) depuis sa position en fin de phase de pénétration. Elle est égale au travail nécessaire pour extraire la particule de béton. Le mécanisme de « prise au piège » de la particule par les particules incidentes suivantes est considéré négligeable, car le temps nécessaire à la particule pour rebondir est très faible devant le temps avant que le béton soit projeté exactement au même endroit (phénomène observé à l’aide d’une caméra haute vitesse par Armelin (1997) sur du béton projeté par voie sèche).
Afin de déterminer cette énergie, des essais dits de « pull-out sur béton frais » ont été réalisés (Armelin et Banthia 1998). Un pénétromètre avec une tête d’indenteur sphérique a été utilisé. La charge et le déplacement ont été mesurés pendant des cycles de charge et d’arrachement du pénétromètre dans du béton frais. Ainsi les contraintes de pénétration et d’arrachement ont été calculées en fonction de la profondeur de pénétration. Ces essais ont permis de mettre en évidence que la pression de contact entre le pénétromètre et le substrat de béton atteint une valeur constante très tôt (partie haute de la courbe de la Figure 1-5) alors que pour l’arrachement, la valeur de la contrainte d’adhésion chute très rapidement puis reste constante pendant la plus grande partie de ce dernier. La valeur atteinte par la contrainte d’adhésion lors du plateau sera notée (𝜎𝑑).
11
Figure 1-5: Résultat de l'essai du "pull out" (tiré de Armelin 1999)
L’hypothèse est faite que la partie du travail produit au début de l’arrachement de la particule est négligeable. L’énergie de décollement peut être approximée par :
𝑊𝑑= 𝛿∗[𝜎𝑑∙ (𝜋 ∙ 𝑎∗2)] (2.5)
La constante pd (Annexe 1) a été obtenue à l’aide d’un essai où des billes tombent d’une hauteur précise sur un substrat de béton. Ainsi toutes les données nécessaires sont maintenant disponibles pour le calcul des énergies et la détermination du rebond.
Le pourcentage de rebond de la particule est déterminé en estimant la probabilité que l’énergie de rebond (Wd) soit inférieure à l’énergie restituée à la particule pendant la phase de réaction
(W2). Le calcul de Wd et W2 est basé sur les propriétés du substrat et ses propriétés varient
selon le temps ou la zone impactée. Il est possible en posant des lois de probabilité sur ces propriétés d’obtenir, pour une particule donnée allant à une vitesse donnée, la probabilité que Wd <W2. La méthode utilisée par Armelin est la méthode de fiabilité du premier ordre (« first
order reability method »). Cette méthode peut s’apparenter à une méthode de Monte-Carlo consistant à réaliser un grand nombre de tirages aléatoires de particule et de calculer à chaque fois le résultat (« outcome ») du critère de rebond. Les types de résultats obtenus par cette méthode sont présentés en Annexe 3.
𝑎∗ : rayon de la zone de contact en fin de phase de pénétration
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La théorie derrière tout ce modèle peut paraitre très complexe, mais est basée sur une hypothèse simple, si le substrat retourne plus d’énergie à la particule qu’il n’est capable d’encaisser pour la retenir, la particule rebondira. Ce modèle étudie une particule. Or, le jet de béton est composé de nombreuses particules de différentes tailles, vitesses, masses et angles. Une analyse énergétique à l’échelle du jet nécessite des données qui ne pouvaient être générées à l’époque où Armelin a réalisé sa recherche faute de moyens techniques accessibles.
Un bémol doit cependant être apporté aux travaux menés par Armelin. Il exploite une observation faite à partir de lancer unitaire de bille de différentes tailles, à savoir qu’il existe une différence de vitesse entre les particules de grande et petite taille. En effet, les expériences d’Armelin sont faites sur une seule particule à la fois introduite dans la machine de projection. Or, toutes les particules arrivent simultanément à la lance. Si le jet est supposé continu, cette différence de vitesse n’est pas possible dans une projection complète, car cela impliquerait l’existence d’une accumulation de particule fine ou grossière quelque part dans le jet. La seule possibilité pouvant expliquer cette différence serait une discontinuité au sein même du jet. Cependant, aucune discontinuité notable de granulométrie dans le jet n’a été observée lors des essais menés par Ginouse (2014).
1.4. Avancées récentes sur l’analyse à l’échelle du jet
Les données nécessaires à une analyse énergétique du jet de béton sont la vitesse des particules dans ce jet de béton et la manière dont la masse y est distribuée. Les premiers outils conçus pour générer ses données ont été développés au laboratoire de béton projeté de l’Université Laval en 2014 par Ginouse.
Les outils développés par Ginouse (2014) ont permis de reprendre le suivi de particule individuelle à l’aide d’une caméra haute vitesse, précédemment réalisé par Armelin (1999) et, d’étendre les informations recueillies en déterminant la vitesse de l’ensemble des particules dans le jet. Les premiers résultats issus des différents essais de vitesse ont permis de déterminer des tendances selon les équipements et le procédé de projection utilisés. Il est important de noter que les distributions de vitesse obtenue sont les vitesses maximales sur un intervalle du jet donné. Ce choix a été fait afin de se libérer des particules ne se déplaçant pas dans le plan d’étude pouvant être perçues à des vitesses plus faible que leurs vitesses réelles. Les principaux résultats notables sont les différences entre une distribution obtenue selon la voie sèche et la voie humide. Les vitesses maximales obtenues en voie sèche sont supérieures à celle obtenue par voie humide à 0.5 et 1 m de distance de la sortie de la lance. Les formes des distributions des vitesses sont aussi différentes entre les deux procédés de mise en place. La distribution des vitesses du procédé par voie humide a une forme dite «
top-13
hat ». Ginouse (2014) a montré que le passage d’un embout « double bubble » à un « spirolet » modifie aussi les profils de vitesses. L’équipement utilisé pour un même procédé de mise en place à une influence sur la distribution des vitesses. La Figure 1-6 met en évidence ces différences.
Figure 1-6: Profils de distribution des vitesses en fonction de l'équipement utilisé et de la distance par rapport à la sortie de la lance (tiré de Ginouse)
En parallèle à la détermination des vitesses dans le jet, Ginouse a mis en place une méthode visant à déterminer la distribution du flux massique dans le jet de béton. Le flux massique correspond à la quantité de matière transportée dans le jet par seconde en fonction de la distance radiale r comptée depuis l’axe de projection. La Figure 1-7 présente les distributions absolue et relative de flux massique obtenu à deux distances différentes (0,5 m et 1,0 m) dans le parcours du jet.
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Dans les deux cas, vitesse et flux massique, Ginouse a montré qu’il est possible de construire des courbes normalisées avec les ratios v/vmax et j/jmax respectivement en abscisses et de r/rmax
en ordonnés et ce pour différentes distances depuis la sortie de la lance. Ces représentations ont d’ailleurs permis de proposer une description mathématique de ces courbes.
Les résultats obtenus ont démontré qu’une connaissance de la distribution de flux massique à une distance connue du jet permet de la connaitre en tout point. Bérubé (2018) a exploré plus en profondeur l’impact de la lance de projection sur la distribution des vitesses et les angles d’ouverture dans les projections par voie humide. Il a notamment étudié la lance en détail en isolant chacun des éléments qui la compose (Figure 1-8). Il en découle que la lance et l’embout sont aussi importants l’un que l’autre sur les vitesses et l’angle de sortie des particules. L’embout en caoutchouc et le corps de la lance ont tous les deux eu des influences importantes sur la distribution des vitesses et la vitesse maximale enregistrées.
Figure 1-8: Différents embouts et lances utilisés en projection par voie humide
Siccardi (2018) a ensuite créé un nouveau modèle de lance adaptant la distribution des vitesses, la distribution de masse et l’homogénéité du jet de béton en voie sèche. La diminution de l’angle d’ouverture et la création d’une distribution des vitesses plus homogène ont permis d’obtenir des valeurs de rebond et de résistance inédites pour la projection par voie sèche. L’ensemble des recherches menées ces dernières années a permis de mieux comprendre la mise en place du béton par projection à haute vitesse. C’est dans ce cadre que le présent projet de recherche s’inscrit, avec pour objectif, rappelons-le, de mettre en commun les informations obtenues dans les recherches précédentes et d’améliorer nos connaissances sur la mise en place du béton par projection pneumatique.
1.5. Analyse vidéo automatisée
Dans les projets de Ginouse (2014), Bérubé (2018) et Siccardi (2018), la détermination de la distribution des vitesses est obtenue par un pointage manuel des particules; un traitement long et fastidieux pour l’utilisateur. De nombreux programmes existent déjà pour suivre le
Corp de lance
Embout
Corp de lance
15
déplacement de particules ou de fissures par exemple. Puisque l’un des objectifs de ce projet est d’automatiser l’acquisition de la distribution des vitesses de particule dans le jet de béton projeté, nous chercherons à adapter à notre application des programmes déjà existants. La méthode manuelle utilisée actuellement est composée de 3 étapes. La première étape se déroule au laboratoire. Le jet de béton projeté est alors filmé à l’aide d’une caméra haute vitesse. Les images obtenues sont enregistrées sur l’ordinateur auquel la caméra est branchée. L’étape suivante consiste à corriger les déformations de l’image dues à la lentille de la caméra. Cette correction est réalisée sur le logiciel Matlab. Ensuite, les images sont chargées dans le logiciel ProAnalyst®. La zone de détermination des vitesses est définie et les particules sont pointées image par image (Figure 1-9). Les coordonnées des particules en fonction du temps sont alors connues et les vitesses sont déterminées en fonction du rayon autour de l’axe de projection.
Figure 1-9: Position des particules à 1 mètre de la sortie de la lance avec le logiciel ProAnalyst® (Siccardi 2018)
La méthode actuelle est une succession d’étapes chronophages. En particulier, le pointage manuel des particules fait perdre beaucoup de temps à l’utilisateur et limite la capacité d’étudier le jet sans de nombreuses heures de traitement. Il serait fort utile de remplacer cette partie du traitement par un traitement automatisé de l’image.
La valeur qu’il est souhaité d’obtenir est la distribution des vitesses dans le jet. Les vitesses 2D sur une image sont nommées « Flux optique » dans le domaine de l’analyse d’image (Figure 1-10). Cette donnée correspond au gradient des vitesses entre deux images successives (déplacement en pixel par image). Il existe différents types de programmes plus ou moins adaptés à différentes configurations d’image afin d’obtenir ce flux optique. Les
Lance fixe
Support de Lance
Jet
Zone étudiée
16
performances de différents types de programmes ont été discutées par Barron (1994)
.
Dans cette revue de documentation, deux approches d’analyse d’image automatisée sont considérées.Figure 1-10: Représentation du flux optique (Patel et Upadhyay 2013)
La première approche est basée sur la détermination d’un gradient global. La détermination du gradient peut être faite à l’aide de l’« Horn and Schunk method » (Kesrarat et Patanavijit 2011) où un lissage est réalisé sur l’ensemble de l’image afin de minimiser les distorsions dans le flux et ainsi obtenir une distribution plus lisse. La « Lucas and Kanade method » (Patel et Upadhyay (2013)) est également une méthode de détermination du flux optique basée sur le calcul du gradient, mais où les itérations ne sont pas réalisées pixel par pixel. Une loi de minimisation est utilisée à partir des variations de luminosité dans l’image. Cette méthode ne permet pas d’obtenir des informations sur l’intérieur de zone uniforme dans l’image. Les avantages de ces méthodes sont leur vitesse de calcul et leur comparabilité rapide à d’autres méthodes. Les désavantages sont le nombre d’erreurs sur les frontières des objets en déplacement.
Il existe également une approche basée sur la division des images en sous-images. L’image est divisée en blocs de taille fixe, le programme recherche ensuite ce bloc sur l’image suivante. Le nom de cette approche est l’« Anandan method » (Patel et Upadhyay 2013). Le déplacement du bloc qui présente la probabilité la plus élevée ou la dissimilarité la plus faible est pris comme mesure du vecteur de mouvement de translation du bloc de référence. Le programme travaille par niveau, c’est-à-dire par taille de bloc. Le programme réalise cette analyse pour différentes tailles de bloc. Ce calcul commence au plus haut niveau (bloc de taille importante) et une recherche complète de déplacement de ces blocs est faite selon cette méthode. Ensuite l’image est découpée en bloc plus petit et une nouvelle analyse est réalisée.
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À chacune de ces étapes, un test d’erreur est complété; selon l’ordre de grandeur de l’erreur, l’analyse continue à un niveau inférieur ou les résultats sont validés.
La méthode choisie pour ce projet est inspirée de l’« Anandan method » dont l’utilisation est libre de droits. Elle se nomme la « Black and Anandan method ». Elle a l’avantage d’être exploitable facilement sur le logiciel Matlab. Elle permet aussi différents niveaux d’analyse afin de pouvoir mener différents essais. Cette méthode est également intéressante dans notre application, car elle ne nécessite pas comme hypothèse l'indéformabilité de l’objet (Black et Anandan 1996) (les particules suivies peuvent se déformer légèrement entre deux images). Une méthode impliquant l'indéformabilité des particules ne permettrait pas d’obtenir des résultats concluants, car il ne permettrait pas de détecter les particules se déformant lors du trajet. Dans notre application, le but est de trouver des variations de vitesse entre différentes particules justement, ce paramètre est donc primordial à notre analyse.
1.6. Conclusion
Au regard des connaissances présentées précédemment, les éléments principaux influençant la mise en place du béton projeté sont connus. Les travaux antérieurs ont mis en lumière les méthodes de caractérisation du jet et les phénomènes physiques impliqués dans la mise en place du béton. Les chercheurs ont cependant mis en exergue la nécessité d’améliorer nos connaissances sur la mise en place du béton à l’échelle du jet pour réduire le rebond. La mise en place par voie sèche est la méthode avec les plus grandes variations dans la qualité de la mise en place, mais la plus flexible dans la réalisation des projections. Ainsi, c’est cette méthode de projection qui fait l'objet de ce projet de maitrise.
Notre volonté d’améliorer nos connaissances sur la mise en place du béton nécessite d’améliorer nos méthodes expérimentales permettant de caractériser le jet de béton. Dans ce but, différentes méthodes de traitement d’images ont brièvement été considérées et la méthode de Black et Anandan a été utilisée dans ce projet afin de déterminer la distribution des vitesses.
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2. Programme expérimental
2.1. Introduction
La revue de l'état de l’art présenté dans le premier chapitre a permis de mettre en lumière les différents paramètres influençant la qualité de la mise en place du béton projeté. Il ressort que l’optimisation de la technique de mise en place nécessite de la caractériser. Les études antérieures ont montré que l’équipement influence aussi bien la vitesse des particules que la distribution de flux massique et donc la manière dont le matériau est appliqué sur la surface. Le jet de béton projeté, et l’équipement utilisé sont caractérisés à travers la distribution d’énergie. Afin de pouvoir déterminer la distribution d’énergie dans le jet de béton, deux informations sont nécessaires : la distribution de masse ainsi que la distribution des vitesses dans le jet pour une même projection.
Des méthodes ont déjà été mises en place afin de déterminer ces éléments. Ce chapitre présentera brièvement ces méthodes et pourquoi des modifications leur ont été apportées. Le matériel, les matériaux et les essais réalisés sur le béton afin de le caractériser seront également présentés.
2.2. Méthodes
2.2.1. Essais nécessaires à la détermination de la distribution d’énergie
2.2.1.1. Caractérisation de la distribution du débit de matière en sortie de lance
La méthode de détermination de la distribution de masse a été développée par Ginouse en 2014. Elle consiste à projeter le béton pendant une durée connue dans un dispositif permettant de déterminer la masse projetée cumulative à une coordonnée connue. Le dispositif de réception du matériau est présenté la Figure 2-1.
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Figure 2-1: Schéma du dispositif expérimental d’obtention de la distribution de masse (Ginouse 2014)
L’essai consiste à projeter le béton vers le dispositif durant une durée précise. Cette durée est déterminée par le jugement de l’utilisateur durant la projection afin d’éviter de boucher ou trop remplir un tube. Il est nécessaire de peser préalablement les tubes assemblés avec les bouchons avant de les installer à leur emplacement dans le montage.
La lance est fixée sur un pied de manière à ce que la sortie du jet soit horizontale (Figure 2-2). Le dispositif expérimental présenté à la Figure 2-1 est posé à précisément 1 m de la sortie de la lance. L’entrée des tuyaux est bloquée par un panneau et la projection est alors lancée. Une fois que le jet de béton est stable, la planche de protection est retirée et le chronomètre est lancé. En veillant à ce qu’aucun tube ne se remplisse complètement, la durée de la projection dans les tubes est maximisée. Le panneau de protection est alors remis en place afin d’avoir une coupure nette du jet. Le chronomètre est arrêté. Les tubes sont ensuite pesés un par un puis nettoyés. La masse de béton dans chacun des tubes peut donc être déterminée, connaissant le poids des tubes avant la projection.
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Figure 2-2: Dispositif expérimental pour la détermination de la distribution de débit massique
Afin de pouvoir utiliser ces données avec la distribution de vitesse, la distribution de masse 3D sera projetée et ainsi obtenir une distribution 2D compatible aux distributions de vitesses.
2.2.1.2. Distribution des vitesses
La détermination des vitesses dans le jet a également été étudiée par Ginouse (2014). La méthode consiste à filmer le jet de béton à l’aide d’une caméra haute vitesse puis de pointer les particules sur les images recueillies grâce au logiciel ProAnalyst®. La fiche technique de la caméra est présentée à l’Annexe
5
.Afin d’améliorer la précision de cette méthode et les images, il a fallu en déterminer les sources d’erreur. La caméra permet d’effectuer plusieurs réglages. En particulier la fréquence d’acquisition, le temps de pose et les paramètres de l’objectif peuvent être modifiés. L’influence de chacun de ces paramètres sur l’erreur de mesure est analysée ici.
Erreur due à la fréquence d’acquisition de la caméra :
La caméra permet de faire un réglage sur la fréquence d’acquisition des images. Pour le calcul de l’influence de ce paramètre sur l’erreur, il est supposé que les autres paramètres sont fixes (hypothèse partiellement vraie, car le temps de pose est conditionné par la fréquence d’acquisition).
La fréquence d’acquisition influence principalement la distance parcourue par une particule entre deux images successives. Ce paramètre est important, plus particulièrement dans l’optique d’une automatisation de l’acquisition des vitesses. En effet, si la distance entre deux
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images successives d’une même particule augmente, le risque que le programme confonde deux particules est plus grand. La Figure 2-3 illustre cette situation.
Figure 2-3: Schéma représentant la différence entre des images obtenues à deux fréquences d’acquisition différentes
Dans les cas d’une exploitation manuelle, des images prises à une grande fréquence d’acquisition permettent d’avoir une particule qui se déplace moins entre les images et donc plus de pointage sur la zone étudiée. La caméra a donc été utilisée à sa capacité maximale durant tous les essais c’est-à-dire 1250 images par seconde.
Erreur due au temps d’exposition :
Le temps d’exposition, aussi appelé « shutter speed », correspond au temps durant lequel le capteur reçoit de la lumière. Pendant ce temps, la particule parcourt une courte distance. Les particules étudiées se déplacent à grande vitesse (25 m/s). La particule perçue sur l’image ne sera donc pas parfaitement nette, d'autant moins que le temps d'exposition est accru. Plus la particule sera nette, plus le pointage de cette particule sera précis. La Figure 2-4 met en évidence ce phénomène de flou autour de la particule. Bien qu’un temps d’exposition très court semble souhaitable, il faut garder à l’esprit que la baisse du temps d’exposition entraine une baisse de la luminosité captée par la caméra et donc des images plus difficiles à traiter (plus sombre). Dans cette partie cette erreur sera quantifiée et un temps d’exposition optimal sera déterminé afin d’obtenir une erreur acceptable.
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Figure 2-4: Schéma représentant la différence entre des images obtenues à deux temps d’exposition différents
Le temps d’exposition joue donc sur la netteté de la particule. La netteté de la particule permet de pointer la même zone de la particule sur chaque image successive. Dans les travaux de Ginouze, le temps d’exposition était utilisé à sa valeur la plus grande possible afin d’obtenir la plus grande luminosité, car la luminosité était alors un paramètre limitant. Le temps d’exposition était réglé alors à 1920 s. En considérant qu’une erreur de 5 pixels est réalisée à chaque calcul de vitesse, une erreur sur la vitesse de l’ordre de 4 m/s peut être commise. La principale conséquence défavorable de la réduction du temps d’exposition est la baisse de la luminosité reçue par le capteur. Un système d’éclairage adapté à un temps d’exposition plus faible a été mis en place pour contrer ce problème. Une utilisation d’un temps d’exposition maximal de 400 s permet de réduire l’erreur lors du pointage de la particule a une valeur raisonnable (de l’ordre de 1 m/s). La netteté des particules facilite également le traitement automatisé de la vitesse, car des contours nets offrent une variation plus importante de la luminosité à la frontière de la particule.
Système d’éclairage :
Un système d’éclairage a été conçu pour compenser la baisse de luminosité induite par la diminution du temps d’exposition. Plusieurs contraintes sont à considérer lors de la fabrication d’un système d’éclairage. La fréquence d’émission de la lumière doit être supérieure à la fréquence d’acquisition de la caméra, la chaleur dégagée par l’éclairage doit être considérée dans le dimensionnement du système et la puissance électrique requise doit être compatible avec les possibilités d’alimentation du laboratoire.
En plus de ces contraintes, le choix a été fait de placer le système d’éclairage face à la caméra afin de réaliser un effet d’ombre des particules et ainsi augmenter le contraste. La Figure 2-5 met en évidence le contraste obtenu à l’aide d’une caméra usuelle et un objet placé devant le
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système d’éclairage. Un éclairage direct en direction de la caméra aurait pu causer des éblouissements locaux sur les images, il a donc été choisi de mettre un écran de diffusion entre les ampoules et la caméra. Un plexiglas teinté a été fixé sur le système d’éclairage.
Figure 2-5: Image représentant le contraste obtenu avec une caméra usuelle entre l’écran et le support de lance
Le choix d’ampoule DEL a été fait afin de répondre aux différentes exigences citées ci-dessus. Les DELs ont un des plus forts ratios puissance lumineuse sur puissance électrique consommée des systèmes d’éclairage usuels. La consommation électrique et la production de chaleur dans le système sont ainsi tenues à des niveaux suffisamment faibles. Les DELs ont également été choisis parce que leur fréquence d’émission est supérieure à 1250 Hz, la fréquence maximale d’acquisition de la caméra. La Figure 2-6 représente le dispositif expérimental utilisé au laboratoire lors de l’acquisition des images. L’idée de ce dispositif a été le fruit de discussion avec Christian Dupuis.
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Figure 2-6: Vue du l’installation expérimentale pour la détermination de distribution de vitesses
Ces améliorations ont permis d’avoir des images certes plus sombre mais plus nettes comme le montre la Figure 2-7.
Figure 2-7: Comparatif entre les images améliorées et les images précédemment utilisées
Amélioration de la qualité de l’image à l’aide du zoom optique de la caméra :
Le zoom optique permet d’améliorer également la netteté des particules. Un des paramètres limitants est la résolution de la caméra. La caméra enregistre jusqu’à 1250 images par seconde, une grande qualité d’image créerai des fichiers des tailles importantes et donc une capacité d’enregistrement et de transfert plus importante (fichier de taille plus importante). La caméra utilisée possède une résolution de 600x900 pixels et les images prises jusqu’à présent cadraient le jet du bout de la lance à une distance de plus 1,5m. Ce choix avait été fait dans les travaux de Ginouze car les analyses étaient menées sur tout le jet. Ce cadrage est également utile, car il permet de visualiser sur l’image la sortie de la lance, cette dernière servant de repère pour les analyses. Un cadrage plus grossi et centré sur la zone d’étude
Vue isométrique Vue de dessus
Camér Jet DELs Écran de diffusion Configuration améliorée
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(dans le présent cas à 1m du bout de la lance) permet d’avoir un plus grand nombre de pixels par particule et ainsi améliorer la netteté des images.
Afin d’utiliser le zoom optique de la caméra, une nouvelle méthode de référence a été utilisée. Le bout de la lance n’étant plus visible sur les images grossies, un élément de référence doit être placé dans cadre de l’image pour l’exploitation des données. Un ruban gommé est placé sur l’écran lumineux de manière à avoir une référence à 1,0m exactement de la sortie de la lance sur les images obtenues. La Figure 2-8 ci-dessous représente une de ces images grossies.
Figure 2-8: Image obtenue avec l’écran lumineux et l’utilisation du zoom optique
Les grosses particules sont beaucoup plus nettes et des particules plus petites sont aussi perceptibles. Cette amélioration permet en particulier de suivre maintenant les particules les plus petites et de comparer leurs vitesses avec les particules suivies auparavant (seulement de tailles importante).
2.3. Matériaux utilisés
Le matériau choisi pour l’intégralité des projections est le MS D1-SY produit et fournit par King Shotcrete Solution. Ce mélange est couramment utilisé dans l’industrie pour les réparations. La granulométrie des granulats du mélange est conforme à la granulométrie ACI Gradation No 2 (506R-16, 2016). La granulométrie est particulièrement importante dans la mise en place du béton projeté (Jolin et Beaupre 2004). Le mélange contient de la fumée de silice et contient également de la fibre synthétique aidant à réduire le risque de fissuration par le retrait plastique
Direction de la projection
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du béton. Les matériaux ont été fournis par l’entreprise sous la forme de sacs prémélangés de 30 kg. La composition du mélange est présentée dans le Tableau 2-1.
Tableau 2-1: Composition du mélange
Ingrédients % masse totale sèche kg/m3 *
Ciment Portland GU 18.9 373.0
Fumée de silice 2.1 41.4
Gravier (max 10 mm ) 15.0 296.0
Sable 58.3 1150.5 * Un e/l=0,40 est
assumé pour ces calculs
Fibre 5.7 112.5
Le liant utilisé est un ciment de type GU provenant de l’usine de Ciment Québec à Saint-Basile. L’eau utilisée lors des projections est celle du réseau d’aqueduc de la Ville de Québec.
2.4. Équipement de projection
Les projections ont été réalisées par voie sèche afin d’obtenir un éventail de caractéristiques rhéologiques importante et d’avoir la possibilité d’arrêter la projection et la reprendre plus simplement et plus rapidement. La machine de projection modèle Aliva®-246 avec un barillet à chambre à grande capacité cylindrique a été utilisée (Figure 2-9). La machine est alimentée électriquement. La fiche technique est disponible en Annexe
4
.Figure 2-9: Canon de béton projeté par voie sèche Alivia en version de base électrique
La machine a été équipée d'une lance de projection souple de type longue ou hydromix, dont la longueur entre l’anneau de mouillage (Figure 2-10) et la sortie de la lance est de 3 m (Figure 2-11) (506R-16, 2016). Cette lance a pu être utilisée car les granulats permettent d’éviter les bouchons dans la lance (pas utilisable avec du mortier par exemple); en empêchant l’accumulation de la pâte dans la conduite (Reny et Jolin, 2011). Ainsi, il est possible de profiter d’une lance longue qui permet un meilleur malaxage et une meilleure uniformité du béton
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projeté (506R-16, 2016). Cette lance permet de réduire fortement la poussière dans la salle de projection, un élément fort important lors de la capture d’image du jet.
Figure 2-10: Anneau de mouillage utilisé
Figure 2-11: Lance hydromix
Les différents embouts utilisés durant les essais sont ceux qui sont le plus utilisés en industrie (Figure 2-12). Le «double bubble» est un embout dont la forme est constituée d’une succession de deux chambres sphériques reliées par une réduction de section. Cette forme induit de la turbulence au sein de l’embout de la lance permettant de malaxer les matériaux pour assurer une meilleure homogénéité du mélange. Cette turbulence a pour contrepartie de créer une plus grande dispersion dans la vitesse des particules et une plus grande ouverture à la sortie de la lance. Au contraire, le second embout utilisé, nommé «spirolet», est caractérisé par son aptitude à concentrer le jet et à créer un effet de vortex des matériaux circulant dans
Embout (double buble)
Anneau de mouillage 1,5 m
